一种基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置的制作方法

本发明属于电力设备绝缘在线监测与故障诊断领域，具体涉及一种基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置。

背景技术：

电力系统的安全、稳定、可靠与经济运行是经济快速发展及社会稳定的基础之一。电力变压器是电力系统中承担不同等级电压转换、电能分配的枢纽设备，它在电力系统输电、变电、配电过程中起着极其重要的作用，其安全运行是保障电力系统安全与稳定的核心。越来越多的大容量、高等级大型电力变压器在超特高压电网中投入使用，一旦发生故障，不仅损坏昂贵的电气设备，还会导致电网瘫痪，对人民日常生活及国家经济造成难以估计的损失。

目前国内外大型电力变压器主要采用油浸式变压器，其内绝缘系统为绝缘油及绝缘纸(板)构成的复合绝缘结构。为了实现对变压器运行状态的在线监测，最常用的方法就是对变压器油中溶解气体的监测诊断。当电力变压器出现包括放电、过热或老化在内的故障时，绝缘材料会分解产生相应的特征气体，通常包括h2、ch4、c2h2、c2h4、c2h6、co、co2这七种特征气体。现阶段油中溶解气体的监测主要是气相色谱法，它的主要流程包括取样、脱气、色谱仪分析和数据处理四个部分。它的局限性在于色谱分析只能在实验室进行，且不能实现连续的在线监测，同时灵敏度较为有限；而红外吸收光谱法和光声光谱法虽无需色谱柱，能实现混合气体的直接分析，但检测准确度有待提高，且每种待测气体都需一个特定波长激光来实现气体的有效检测。

拉曼光谱法是基于拉曼效应进行物质分析的一种成熟的光谱分析方法，具有利用单一波长激光同时实现多种物质测量的优势。应用拉曼光谱的一个主要优点是能够检测同核双原子气体及其他分子气体物质，包括稳定同位素气体如¹³co2，¹⁴n¹⁵n或(tf304)n2。拉曼气体分析速度快，无消耗，不需要标记或取样，并且可以同时检测除稀有气体以外的所有气体。但由于油中溶解气体含量低，同时拉曼效应具有较低的绝对散射截面，因此需要加强拉曼强度以达到所需的合理检测限度。

光纤增强技术通过提高待测气体与激光有效作用长度及拉曼散射光子的收集效率，提高了气体拉曼检测灵敏度，为基于拉曼光谱技术的变压器老化监测及故障诊断打下了良好的基础。空芯光子晶体光纤已成为痕量气体传感领域的领先技术，显示出进一步提高灵敏度的潜力。这种具有低波导损耗特性的新型光纤可以实现激光与拉曼活性气体分子的长期光学相互作用。近些年，超短脉冲激光精密加工领域备受关注，由于超短脉冲激光脉宽短于绝大多数物理化学过程的特征时间，使制造过程中调控电子状态以及实现“非热加工”成为了可能，与传统激光相比，飞秒激光作用时间短，几乎不产生热影响区，加工精度高，能耗低使其在微孔加工中具有高精度，极小化重铸，高可控性和可重复性的特点。

技术实现要素：

本发明基于飞秒激光加工技术，在kagome带隙型光子晶体光纤侧面进行周期性纳米级钻孔，通过利用毛细效应，实现在变压器油中油气分离，此方法操作简单，准确度高，是一种不受外围环境，取样水平影响的新方法。通过利用光纤增强的拉曼效应，进而实现变压器油中的原位检测。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置，包括激光器，激光扩束器，二向分色镜，空间滤波器，耦合器，纳米级孔洞修饰的kagome带隙型光子晶体光纤，光谱仪；激光由所述激光器发出，经所述激光扩束器放大，经过所述二向分色镜后，由所述耦合器将激光耦合到所述纳米级孔洞修饰的kagome带隙型光子晶体光纤中，所述纳米级孔洞修饰的kagome带隙型光子晶体光纤放置于变压器油中，所述kagome带隙型光子晶体光纤传导的拉曼散射光和激光信号返回到所述二向分色镜，再通过所述空间滤波器，最终被所述光谱仪的ccd采集。

优选地，所述纳米级孔洞修饰的kagome带隙型光子晶体光纤的中心波长在500-600nm之间，在纤芯周围增加一层硅环，其厚度为0.2μm-0.4μm之间。

优选地，钻孔方式为在光纤径向上从八个等分点角度钻入，孔洞从光纤表面延伸至纤芯，在轴向上保持钻孔点保持在一个直线上，尽量避免错位。

优选地，钻孔区域的长度不得少于光纤长度的五分之一，不超过光纤长度的二分之一，钻孔间距为0.1-1.5mm。

优选地，所述激光器为产生波长532nm的单一频率单模横模激光的固体激光器。

优选地，所述激光器连续输出功率400mw，频率3mhz，噪音低小于0.25％rms，光束直径在1-3mm范围内。

优选地，所述激光扩束器将小口径激光光束扩大为大口径准直光束，激光扩束器扩束倍率为1-3倍，最大扩束直径为6.0mm。

优选地，所述耦合器采用长工作距离的物镜，物镜的倍率在10-30，工作距离10-50mm，焦距5-25mm。

优选地，所述耦合器由显微物镜组成。

优选地，还包括高通滤镜，其设置于二向分色镜和空间滤波器之间，波长大于532nm。

优选地，所述空间滤波器包括两片消色透镜和一个针孔装置，所述两片消色透镜分别为准直透镜和聚焦透镜。

优选地，所述针孔装置直径范围为10-50μm，所述两片消色透镜的焦距范围在10-25mm。

本发明相对于现有技术具有以下有益的技术效果：

本发明的基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置，无需进行人工油气分离，准确度高，操作简单，可直接原位检测变压器油中故障气体。

附图说明

下面结合附图对本技术方案作进一步说明。

图1是本发明的一种基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置的结构示意图；

图2是kagome带隙型光子晶体光纤的结构示意图；

图3是对h2进行拉曼光谱检测对比图；

图4是对co2进行拉曼光谱检测对比图；

图5是对c2h6进行拉曼光谱检测对比图。

具体实施方式

下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细介绍。

如图1所示，本发明的一种基于光纤增强的变压器油中故障气体在线监测装置包括激光器，激光扩束器，二向分色镜，空间滤波器，耦合器，位移装置，kagome带隙型光子晶体光纤，光谱仪。所述激光器发出的激光通过激光扩束器，所述的耦合器将激光耦合到kagome带隙型光子晶体光纤中，所述的空间滤波器两端分别连接透镜a和高通滤镜，所述的空间滤波器由准直透镜，针孔和聚焦透镜组成，所述的光谱仪的ccd与透镜a连接，透镜a起到聚焦作用，便于光谱仪采集。位移装置代表着光学平台，主要用于部件距离的调节还有透镜高度的调节，起到固定作用。

激光由所述激光器发出，经所述激光扩束器放大，经过所述二向分色镜后，由所述耦合器将激光耦合到kagome带隙型光子晶体光纤中，利用飞秒激光侧面钻孔形成纳米级孔洞修饰的空芯光子晶体光纤，实现原位油气分离，拉曼散射光和激光信号返回到所述二向分色镜，再通过所述空间滤波器，最终被光谱仪的ccd采集。

所述激光器为产生波长532nm的单一频率单模横模激光的固体激光器，该激光器连续输出功率高达400mw，频率3mhz，噪音低小于0.25％rms，其光束直径在1-3mm范围内。

所述激光扩束器采用西格玛光机生产的be-2-v扩束器，可将小口径激光光束扩大为大口径准直光束，激光扩束器扩束倍率为1-3倍，最大扩束直径为6.0mm。

光束通过所述二向分色镜进入所述耦合器，所述二向分色镜主要有两个作用：一是将经过所述激光扩束器的激光反射到耦合器，二是将经过kagome带隙型光子晶体光纤之后的光束中瑞利散射滤除。

空间滤波器包括两片消色透镜和一个针孔装置，其针孔直径范围为10-50μm，两片消色透镜的焦距范围在10-25mm，可根据需要进行调节，进一步调高拉曼光谱的信噪比，降低检测极限。光信号经过空间滤波器后，其光束直径控制在1-2mm之间。两片消色透镜分别为准直透镜和聚焦透镜。

二向分色镜和空间滤波器之间要放置滤镜，其本质为高通滤波镜，要求必须选用波长高于532nm的滤波镜。其目的可以消除变压器油中故障气体产生的瑞利散射光和反斯托克拉曼散射光，保留特征气体的有效斯托克拉曼散射光，最终特征性气体进入光谱仪的ccd进行检测和计算。

所述耦合器采用长工作距离的物镜，物镜的倍率在10-30，工作距离10-50mm，焦距5-25mm。本实施例所用的耦合器是由显微物镜组成，将激光耦合到光纤中。

本申请所采用的全新导光机制的kagome带隙型光子晶体光纤是由大卫星晶格组成，其中心波长在500-600nm之间，其衰减需小于2db/m，直径为6.6um±1um，可以单模运输。通过在纤芯周围增加一层硅环，起到了反谐振波导作用，极大的降低了光纤耦合损耗，其厚度为0.2um-0.4um之间；这样将带隙限制在可见光波段，且在变压器拉曼散射波长上有着较低的损耗，同时这种光纤允许出现大于90度的弯曲，其损耗比其他光纤低。本实施例的kagome带隙型光子晶体光纤长度为1m，其中心波长为550nm，其光纤直径为6.6um，空气孔间距为32.5um，结构如图2所示。图2示出的是kagome带隙型光子晶体光纤的截面图，此时还未进行纳米级钻孔，箭头z表示径向。光纤中心空白处外围的黑线，代表着在纤芯周围的硅环。

本申请基于飞秒激光加工技术，在kagome带隙型光子晶体光纤侧面进行周期性纳米级钻孔。纳米级孔洞分布密集且具有周期性，为了保证原位检测速率增加而损耗不会大幅度增加，钻孔方式为在光纤径向上从八个等分点角度钻入，孔洞从光纤表面延伸至纤芯，在轴向上保持钻孔点保持在一个直线上，尽量避免错位。为了提高其毛细速率，在钻孔区域的长度不得少于光纤长度的五分之一，不超过光纤长度的二分之一，钻孔间距为0.1-1.5mm。一方面保证气体进出光纤的效率，另一方面尽量减少对空芯光子晶体结构的破坏，而降低传输损耗。本实施例kagome带隙型光子晶体光纤表面孔洞直径≤0.7nm，这个直径数值大于气体分子直径且小于变压器油分子直径。

通过毛细效应，检测气体可进入到kagome带隙型光子晶体光纤，而变压器油无法进入；利用毛细效应，实现在变压器油中原位油气分离，此方法操作简单，准确度高，是一种不受外围环境，取样水平影响的新型方法。通过利用光纤谐振腔增强拉曼效应，进而实现变压器油中的原位检测。

本申请所采用的掺钛蓝宝石飞秒激光的中心波长是700nm，脉冲宽度为150fs，重复频率为1khz，平均功率为1.1w，通过直径为5mm光阑限定光束直径，再经过倍率100x聚焦透镜将光斑聚焦在光纤表面上进行钻孔，其离焦量为40μm。

侧面钻孔修饰的kagome结构的空芯光子晶体光纤，该光纤置放于变压器油中，故障特征性气体通过纳米级孔洞进入光纤气体与激光的充分接触，其拉曼散射光将经过空间滤波器和透镜a，进入到光谱采集装置中，实现变压器油中特征气体的原位拉曼光谱检测。ccd监测的波长范围在200-1200nm，像素2000*256，需满足故障气体的拉曼散射波长监测。可以理解地，使用光纤用来提高拉曼散射光的收集效率和提高激光与气体的相互作用长度来增强拉曼散射光信号，纳米钻孔的目的是用来不用油气分离，可以实现在变压器中原地检测，不需提取油样。

通过仿真研究纤芯空气孔内激光波长(532nm)与各故障气体拉曼散射光波长(h2、ch4、c2h2、c2h4、c2h6、co、co2分别为549.2、629.8、594.4、572.9、631.2、600.5、574.4nm)，采用的空芯光子晶体光纤需在各拉曼散射波长处能够单模运输。

7种变压器故障特征气体可分为三类，即h2、碳氧类气体(co、co2)和烃类气体(ch4、c2h2、c2h4、c2h6)，我们选取h2、co2和c2h6三种具有代表性的气体进行光纤增强拉曼光谱检测与分析。为了检测光纤增强的性能，我们采用对照组，不采用光纤对h2、co2和c2h6进行拉曼光谱检测，直接用激光打在样品上，接受返回的拉曼散射光，实验的检测条件完全相同。

(1)h2

实验条件：温度25℃；激光功率60mw；ccd与光谱仪参数设置：积分时间5s，积分次数2，狭缝宽度100μm，2号光栅。在相同实验条件下，基于光纤增强前与增强后检测的h2拉曼光谱对比如图3所示。

表1拉曼特征峰对比表

(2)co2

实验条件：温度25℃；激光功率60mw；ccd与光谱仪：积分时间5s，积分次数2，狭缝宽度100μm，2号光栅。在相同实验条件下，基于光纤增强前与增强后检测的co2拉曼光谱对比如图4所示。

表2拉曼特征峰对比表

(3)c2h6

实验条件：温度25℃；激光功率60mw；ccd与光谱仪：积分时间5s，积分次数2，狭缝宽度100μm，2号光栅。在相同实验条件下，基于光纤增强前与增强后检测的c2h6拉曼光谱对比如图5所示。

表3拉曼特征峰对比表

通过数据，我们发现选取的三种气体均实现了9倍以上的增强。

本申请通过引入具有低波导损耗特性的新型光纤，利用其光纤增强的特性实现激光与拉曼散射气体分子的长期光学相互作用，大大增强了变压器油中故障气体的拉曼散射强度，此装置不仅无需油气分离或萃取，还可以实现多种微量故障气体的拉曼光谱准确检测，促进了拉曼光谱气体检测传感技术的发展，提升了电力变压器故障特征气体的在线监测水平。

申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。